Uniek laboratorium houdt stroom onder de loep

Stroomkwaliteit/Enith Vlooswijk
Foto’s/Bart van Overbeeke

Hoe duur of hoe groen de stroom is die uit onze stopcontacten komt, daar willen we nog wel eens over steggelen. Over de kwaliteit van onze stroom maken we ons echter zelden zorgen. Onterecht, blijkt uit de oprichting van een splinternieuw Power Quality Laboratorium in het Coronagebouw van de TU/e. Het laboratorium biedt unieke faciliteiten om de stroomkwaliteit op ons netwerk te meten. Op woensdag 2 mei wordt het officieel geopend.

Een elektriciteitsnet, een windgenerator, zes eengezinswoningen met zonnepanelen, een uitgebreid kabelnetwerk, zware stroomverslindende motoren en stroomopslagfaciliteiten: alles wat gekoppeld is aan ons centrale elektriciteitsnet wordt op enige wijze gerepresenteerd in het nieuwe Power Quality Laboratorium in het Coronagebouw van de faculteit Elektrotechniek. Zelfs de elektrische föhn ontbreekt niet. Het laboratorium bootst de interactie na tussen het elektriciteitsnet en huishoudelijke en industriële klanten. Onderzoekers bestuderen enerzijds hoe deze interactie de spanningskwaliteit van het net beïnvloedt en anderzijds hoe de netspanning terugwerkt op allerlei stroomgebruikende apparaten en decentrale energieopwekkers. Het laboratorium, dat zo’n vijf ton heeft gekost, is deels door het ministerie van Economische Zaken gefinancierd. Industriële partners hebben bijgedragen in de vorm van apparatuur.

Drie partijen
“Het laboratorium is uniek voor Nederland”, vertelt dr.ir. Johanna Myrzik van de capaciteitsgroep Elektromagnetische Vermogenstechnologie die het onderzoek coördineert. “Het brengt namelijk voor het eerst drie partijen bij elkaar die zijn betrokken bij ons elektriciteitsnetwerk: de netwerkbeheerder, de fabrikanten van decentrale opwekkers en elektrische apparaten, en tenslotte de klanten.”
Een druk op de knop en het koffiezetapparaat, de stofzuiger of de computer doet het. We staan eigenlijk nooit stil bij het complexe elektriciteitsnetwerk dat onze huishoudelijke apparatuur draaiende houdt. Laat staan dat we ons zorgen maken over de invloed van deze apparaten op de stroomkwaliteit van het centrale netwerk. Toch is die invloed niet helemaal verwaarloosbaar. “Kijk wat er gebeurt als ik deze föhn aanzet”, zegt Myrzik, terwijl ze wijst op een beeldscherm met twee sinusoïden in verschillende kleuren.
De groene golflijn representeert de wisselspanning van het centrale stroomnetwerk. Een blauwe golflijn eronder hoort bij de föhn. “Zolang de föhn op volle kracht draait, beïnvloedt hij de netspanning nauwelijks. Maar wel als we hem een standje lager zetten.” Op dat moment verandert de blauwe lijn in een sinusoïde met happen eruit, terwijl de groene sinusoïde een bibberige lijn krijgt (zie foto).
Het standje lager zetten gebeurt met behulp van fase-aansnijding: digitale schakelingen in de föhn gaan voortdurend open en dicht op gezette momenten in de fases van de sinusvormige spanningsgolf. Hierdoor wordt slechts een deel van de spanningscurve benut. Het voordeel van fase-aansnijding is dat er nauwelijks energie verloren gaat in de schakeling zelf. Het nadeel is dat de golfvorm van de stroom in de föhn verandert, wat harmonischen veroorzaakt: spanningsfrequenties die een veelvoud zijn van de netfrequentie. Ze verstoren de lokale netspanning. Met extra elektronica kan deze storing weer deels worden verholpen. Gebeurt dat niet, dan kunnen apparaten in de buurt op de storing reageren. Het gezoem in audioapparatuur wordt bijvoorbeeld vaak veroorzaakt door een slecht ontstoord apparaat in de buurt, waarbij harmonischen vrijkomen met een hoge frequentie. Er ontstaan bovendien extra verliezen in het netwerk en de installaties die eraan hangen.
Zolang het blijft bij enkele spaarlampen en een föhn zijn de problemen veroorzaakt door dergelijke vermogenselektronica, te overzien. Het punt is dat de hoeveelheid elektronica in het net alleen maar toeneemt. Steeds meer consumentenelektronica, maar ook decentrale opwekkers als windmolens en zonnecellen worden met vermogenselektronica aan het net gekoppeld.
“De problemen die optreden zijn nu nog lokaal, dus niet in het hele voorzieningsnetwerk”, legt Myrzik uit. “Maar gezien de gestage toename van elektronica gaan wij ervan uit dat de nu nog lokale problemen zich ook zullen uitbreiden over grotere stukken netwerk.”

Het scherm toont de gekapte sinusoïde van de spanning in de föhn (blauw) en de verstoorde sinusoïde van het netwerk (groen).

Windmolens
Decentrale energieopwekkers als windmolens en zonnecellen produceren momenteel zes procent van de gebruikte energie in Nederland, en dit aandeel zal alleen maar toenemen. Windmolens en zonnecellen genereren echter gelijkstroom, terwijl het centrale elektriciteitsnet werkt met wisselstroom.
Het omzetten van gelijkstroom naar wisselstroom gebeurt met omvormers, elektronische apparaten die hetzelfde nadeel hebben als andere vermogenselektronica: door harmonischen ontstaat in plaats van een mooie sinusvormige golflijn de eerder beschreven bibberlijn. “De hoeveelheid harmonischen groeit met de hoeveelheid omvormers die op het net uitkomen”, zegt Myrzik. “Soms doen deze bovenfrequenties elkaar teniet, maar de tendens is dat de totale belasting toeneemt.”
Daar komt nog bij dat de centrale netspanning sowieso al enigszins verstoord is door de tussenkomst van transformatoren. Een transformator zet een hogere wisselspanning om naar een lagere wisselspanning. Ook hierbij komen harmonischen vrij, overigens om een andere reden dan bij de vermogenselektronica.
Een te grote verstoring van het net leidt tot energieverlies en kan ertoe leiden dat decentrale opwekkers automatisch worden afgekoppeld.
Om de verstoring van het net zoveel mogelijk binnen de perken te houden, moeten zowel decentrale opwekkers als consumentenelektronica voldoen aan bepaalde normen. Het probleem is dat deze normen langzaamaan achterhaald worden. “Als het net zelf al vervuild is en de geïnjecteerde stroom is vervuild, dan zit je veel eerder aan het maximum”, legt Myrzik uit. “De netbeheerder kan terecht zeggen binnen de norm te blijven en de fabrikant ook, maar samen overschrijden ze een bepaalde norm wel. De interactie tussen de harmonische stromen en het netwerk zorgt voor resonanties die elkaar versterken.”

Onderzoek
Dat de normen moeten worden bijgesteld is inmiddels duidelijk. De wetenschappelijke basis voor nieuwe richtlijnen ontbreekt echter volledig. Het onderzoek binnen het Power Quality Laboratorium moet deze basis gaan bieden. Momenteel lopen er drie promotieprojecten die aan het laboratorium gerelateerd zijn.
Het onderzoek waarop ir. Sjef Cobben in juni hoopt te promoveren, effent de weg voor een classificatiesysteem van elektriciteitsnetwerken. “De DTE (Directie Toezicht Energie), de Nederlandse toezichthouder op de energiesector, kijkt naar de kwaliteit van het net”, legt Myrzik uit. “Maar er zijn nog helemaal geen duidelijke beoordelingscriteria om vast te stellen wat een goed of een slecht netwerk is. Valt een goed net een of twee keer per jaar uit? Voor de industrie is het soms belangrijk te weten of het net goed of redelijk is, want elke uitval kan er een teveel zijn.”
Het onderzoek van promovendus ir. Rong Cai heeft onder meer betrekking op de normen waaraan een netwerk moet voldoen om het flikkeren van lampen te voorkomen. Dit geflikker vindt plaats als een groot apparaat dat is aangesloten op een elektrisch circuit, veel energie verbruikt. “De huidige normen zijn toegespitst op gloeilampen”, zegt Myrzik. “Maar tegenwoordig worden er steeds meer spaarlampen gebruikt, die minder gevoelig zijn voor dit probleem.” Dit onderzoek zal over twee jaar worden afgerond.
Het promotieonderzoek van ir. Sharmistha Bhattarchayya is onlangs van start gegaan en gaat over de toekomstige verantwoordelijkheden van de drie partijen die betrokken zijn bij het elektriciteitsnet: de beheerder, de fabrikant en de klant. “Dat is geen juridische kwestie, maar een vraag van technische en economische aard”, benadrukt Myrzik. “We moeten vaststellen waar, wanneer en waarom er wegens technische problemen kosten worden gemaakt. Hoe lossen we die problemen zo op, dat we voor alle partijen een economisch optimum bereiken?”

Dankzij het Power Quality Laboratorium hebben ook industriële partners voor het eerst de mogelijkheid onderzoek te doen naar de wisselwerking tussen hun producten en het net. Vandaar dat een netbeheerder (Continuon), een fabrikant van elektrische schakelaars (Eaton-Holec) en een producent van consumentenelektronica (Princess) aan de onderzoeksruimte hebben bijgedragen. Volgens Myrzik komt het laboratorium precies op het juiste moment. “We verwachten dat de kwaliteit van de stroomvoorziening slechter wordt met de toename van elektronica en decentrale opwekkers in het net. Het is een langzaam proces, maar het is slim om op tijd met oplossingen paraat te staan.”/.